(IEEE)あなたが5Gについて知るべきすべて

Everything You Need to Know About 5G

ミリ波、マッシブマイモ、全二重、ビームフォーミング、およびスモールセルは、超高速5Gネットワークを可能にする技術のほんの一部

 今日のモバイルユーザーは、より速いデータスピードとより信頼性の高いサービスを求めている。次世代のワイヤレスネットワークである5Gは、それを提供することを約束する。5Gを使用すると、1秒以内に高精細度映画をダウンロードできるようになる(4G LTEでは10分かかる可能性がある)。また、ワイヤレス技術者は、これらのネットワークが、自律走行車、バーチャルリアリティ、物のインターネットなど、他の新技術の開発も促進すると述べている。 すべてうまくいけば、通信会社は2020年代初めに最初の商用5Gネットワークをデビューさせたいと考えている。しかし現在、5Gはまだ計画段階で、企業と業界団体はそれをどのようなものにするのかを正確に解決するために協力して作業している。しかし次の課題についての合議はなされている:モバイルユーザー数とデータ需要の増加にしたがって、5Gは今日のセルラーネットワークを構成する基地局よりもはるかに高速にトラフィックを処理する必要がある。 これを達成するために、ワイヤレスエンジニアは一連の真新しい技術を設計している。まとめると、これらの技術は、1ミリ秒未満の遅延(現在の4Gネットワークでは約70ミリ秒)でデータを届け、ユーザーに最大20Gbps(4Gでは1Gbps)のダウンロード速度を提供する。 現時点では、長期的にどの技術が5Gのために最も効果的になるのかはまだはっきりしていないが、いくつかの初期の本命が浮上している。フロントランナーには、ミリ波、スモールセル、massive MIMO(マッシブ・マイモ)、全二重、ビームフォーミングなどがある。5Gが現在の4Gネットワークとどのように違うのかを理解することは、これらの5つの技術を概観して、それぞれがワイヤレスユーザーにとって何を意味するのかを検討することに役立つ。

ミリ波

 今日の無線ネットワークは問題に出くわした:多くの人やデバイスがこれまで以上に多くのデータを消費しているが、モバイルプロバイダーが既に使用している無線周波数帯の同じ帯域はぎゅうぎゅう詰めのままだ。つまり、すべての人々のための帯域幅が小さくなり、サービスの速度がより低下し、接続が切断されやすくなっている。 この問題を回避する方法の1つは、以前はモバイルサービスには一度も使用されていなかった、新しい周波数帯の電波を単純に送信することだ。だからこそ、携帯電話に長く使われてきたラジオ波よりも高い周波数を使ったミリ波通信を事業者は実験している。 これまでモバイルデバイスのために使用されていた帯域は6GHz以下であるのに対し、ミリ波の通信は30~300GHzである。それらの波長が1~10mmであるためミリ波と呼ばれている。これに対し、現在のスマートフォンのためのラジオ波の波長は10cmである。 これまで、衛星やレーダーシステムのオペレーターだけがミリ波を現実世界での応用のために使っていた。現在、一部の携帯電話事業者は、2つの基地局などの静止地点間でデータを送信するためにそれらを使用し始めている。しかし、ミリ波を使用してモバイルユーザーを近くの基地局に接続することは全く新しいアプローチだ。 しかし、ミリ波には大きな欠点が1つある。建物や障害物を簡単に通過できず、雨や樹木の葉によって吸収される可能性がある。だからこそ、5Gネットワークは、スモールセルと呼ばれるもう一つの新しい技術を使って従来のセルラー・タワーを拡張するだろう。

スモールセル

 スモールセルは、動作するのに最小限の電力しか必要とせず、都市全体で約250mごとに配置することができるポータブル小型基地局である。通信が切断されないようにするために、通信事業者は市内に何千もの基地局を設置してリレーチームのように機能する高密度ネットワークを形成し、他の基地局からの電波を受信して任意の場所のユーザーにデータを送信することができる。 従来のセルネットワークはますます多くの基地局に依存するようになったが、5Gの性能を実現するにはさらに大きなインフラが必要だ。幸いなことに、スモールセルのアンテナは、ごく小さいミリ波を送信する場合、従来のアンテナよりもはるかに小さくすることができる。このサイズの違いにより、電柱や建物の上に基地局を貼り付けることがさらに容易になる。 この根本的に異なるネットワーク構造は、より狙いすました効率的な帯域の使用を提供すべきである。より多くの基地局を有することは、1つの基地局があるエリアのデバイスと接続するために使用する周波数を、別のエリアの別の基地局が再利用して別の顧客に提供できることを意味する。しかし、5Gネットワークを構築するために必要なスモールセルの数が膨大なため、農村部に設置するのが難しくなるかもしれないという問題がある。 ミリ波での通信に加えて、5G基地局は、別の新技術、すなわちmassive MIMOを利用するために、今日のセルラーネットワークの基地局よりも多くのアンテナを持つであろう。

massive MIMO

 現在の4G基地局には、すべての携帯電話トラフィックを処理するアンテナ用のポートが1ダース(送信用に8つ、受信用に4つ)用意されている。しかし、5G基地局は約100のポートをサポートすることができる。つまり、より多くのアンテナを1つのアレイに収めることができる。その能力は、基地局が一度により多くのユーザーからの電波を送受信できることを意味し、モバイルネットワークの容量を22倍以上に増加させる。 この技術はmassive MIMOと呼ばれている。すべてがMIMOで始まる、これは、複数入力、複数出力を意味する。MIMOは、2つ以上の送信機と受信機を使用して一度に多くのデータを送受信する無線システムのことを言う。Massive MIMOは、数多くのアンテナを1つのアレイに搭載することにより、このコンセプトを新しいレベルに引き上げる。 MIMOはすでにいくつかの4G基地局で見られる。しかし、これまでのところ、massive MIMOは実験室や、いくつかの実地試験でテストされているだけである。初期のテストでは、スペクトル効率(1秒間に特定の数のユーザーに送信できるデータのビット数の尺度)の新記録が更新されている。 Massive MIMOは5Gの未来にとって非常に有望に見える。しかし、携帯電話のトラフィックを処理するために非常に多くのアンテナを設置すると、それらの電波がクロスしたときの干渉が増える。そのため、5G基地局はビームフォーミングを組み込む必要がある。

ビームフォーミング

 ビームフォーミングは、特定のユーザーへの最も効率的なデータ配信ルートを識別し、そのプロセスの近くにいるユーザーの干渉を低減する、携帯電話基地局のための交通信号システムである。状況や技術によって、5Gネットワークがそれを実装するいくつかの方法がある。 ビームフォーミングは、massive MIMOアレイがそれらの周りの帯域をより効率的に使用するのに役立つことができる。Massive MIMOの主な課題は、一度に多くのアンテナからより多くの情報を送信しながら干渉を低減することである。Massive MIMO基地局は、信号処理アルゴリズムが、各ユーザーへの最良の空中伝送ルートをプロットする。そして、個々のデータパケットをさまざまな方向に送信し、建物やその他の物体を正確に調整されたパターンで跳ね返らせることができる。パケットの動きと到着時間を振り付けすることにより、ビームフォーミングは、massive MIMOアレイ上の多くのユーザーとアンテナが、より多くの情報を一度に交換できる。 ミリ波の場合、ビームフォーミングは主に異なる一連の問題に対処するために使用される:携帯電波は物体によって簡単にブロックされ、長距離になると弱くなる傾向がある。この場合、ビームフォーミングは、一度に多くの方向に通信するのではなく、一人のユーザーの方向のみを指し示す集中されたビーム内に電波の焦点を合わせることに役立つ。このアプローチは損失のない電波を受信するチャンスを強化し、他の人の干渉を減らすことができる。 ミリ波での通信によるデータ転送速度の向上と、massive MIMOによるスペクトル効率の向上のほか、無線技術者は、アンテナがデータを送受信する方法を変える、全二重と呼ばれる技術を使用して、5Gに必要な高スループットと低遅延を実現しようとしている。

全二重

 今日の基地局および携帯電話は、同じ周波数で情報を送受信する場合には交代で送受信しなければならず、同時に情報を送受信する場合は異なる周波数で動作させなければならない送受信機に依存している。 5Gでは、送受信機は同じ周波数で同じ時間にデータを送受信できるであろう。この技術は全二重として知られており、最も基本的な物理層でワイヤレスネットワークの容量を倍増させることができるだろう。同時に2人で話しながらもお互いに理解できていることを想像してください-つまり会話の長さが半分になり、彼らは次の議論をより早く始めることができる。 大型機器が必要な全二重技術をすでに使用している軍隊もある。パーソナル・デバイスで全二重化を達成するためには、アンテナがデータを同時に送受信している間に受信電波と発信電波が衝突しないようにルーティングできる回路を研究者は設計する必要がある。 これは、同じ周波数で電波が前方と後方に進む性質(相反性と呼ばれる原理)があるため、特に困難である。しかし、最近では、研究者が高速スイッチのような働きをするシリコントランジスタを組み込んで、これらの電波の後転を止めて、同じ周波数で同時に電波を送受信できるようにした。 全二重の1つの欠点は、厄介なエコーにより、より多くの電波干渉を生成することである。送信機が電波を放射すると、その電波はデバイスのアンテナに非常に近く、したがって受信するどの電波よりも強力である。話すことと聞くことの両方を同時に行うアンテナは、特殊なエコーキャンセル技術を使用する場合にのみ可能であろう。 これらの技術や他の5G技術を使用することで、将来のスマートフォンユーザー、VRゲーム愛好者、自律走行車が毎日頼るワイヤレスネットワークを構築することを技術者は望んでいる。既に、研究者と企業は、消費者の超低遅延と記録的なデータ転送速度を約束し、5Gに対する高い期待を寄せている。彼らが残りの課題を解決し、これらのシステムをどのように連携させるかを理解することができれば、超高速5Gサービスは今後5年間で消費者に届く可能性がある。

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